一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法技术方案

本发明专利技术属于溶剂萃取分离技术领域，涉及一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法。所述设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块，所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中各组分分流量。利用本发明专利技术的设计系统及设计方法，能够在用于稀土联动萃取分离流程的工艺设计时，减小确定优化工艺参数的工作量，并有充分依据准确的判定理论最小萃取量和最小洗涤量。

A multi component linkage extraction and separation process design system and design method

The invention belongs to the technical field of solvent extraction and separation, and relates to a multi-component linkage extraction and separation process design system and a design method. The design system comprises a data input module, a flow calculation module, a series calculation module and a result output module. The flow calculation module is used to construct a fully separated flow chart according to the components to be separated and their number input by the data input module, and to calculate the fully separated flow chart from top to bottom step by step. The minimum extraction capacity, the minimum washing capacity, the total flow rate at both ends of the separation unit and the flow rate of each component in the separation unit, as well as the input and output flow rate and the flow rate of each component in the joint stage of the adjacent separation unit at the same level after the outlet linkage is adopted. The design system and the design method of the invention can reduce the workload of determining the optimum process parameters in the process design of the rare earth linkage extraction separation process, and have sufficient basis for accurately determining the theoretical minimum extraction quantity and the minimum washing quantity.

【技术实现步骤摘要】
一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法
本专利技术属于溶剂萃取分离
，涉及一种多组分联动萃取分离流程设计系统及设计方法。
技术介绍
上世纪70年代，北京大学徐光宪先生提出了可用于稀土分离的串级萃取理论，并发展了串级萃取的计算机静态设计和动态仿真技术，实现了稀土分离工艺设计参数“一步放大”到工业规模生产，从而促进了我国稀土分离工业的高速发展。本世纪初，为进一步降低多组分全分离过程中的化工辅料消耗及污染物排放，发展了联动萃取分离技术，该技术目前已成为我国稀土分离工业中的基本技术。联动萃取分离技术的核心是通过将多组分分离流程中不同分离单元进行横向或纵向衔接，使某些分离单元产生的负载有机相或水相物料溶液供给其它分离单元用做萃取有机相或洗涤液使用，从而避免了各分离单元重复消耗化工试剂，达到了减少流程总消耗的目的。由于此过程要求各分离单元联动运转，故称之为联动萃取分离技术。联动萃取分离技术也被称为模糊联动萃取技术。许慧等(参见：包头混合型稀土矿模糊联动萃取新工艺的研究，稀有金属与硬质合金，45(3):1-4，2017)、赵治华等(参见：白云鄂博稀土矿联动萃取分离流程的经济技术指标比较，中国稀土学报，34(1):70-76，2016)描述了模糊联动萃取的特点，设计了几种LaCePrNd四组分联动萃取流程，并将它们与传统流程的经济性进行了比较分析。但就化工试剂消耗而言，所有这些设计的联动萃取流程都未能达到最优化。含A1、A2、…、At共t个组分的最优化联动萃取全分离流程需如图2所示，其中每个方框所代表的分离单元均需通过出口或进料级衔接方式与其它分离单元进行联动，以最大限度降低流程的总化工试剂消耗。稀土分离工艺的优化设计主要基于徐光宪先生提出的串级萃取理论(参见：徐光宪，稀土(上)，北京：冶金工业出版社，1995)。最小萃取量和最小洗涤量代表给定分离过程所需的化工试剂理论最小消耗量，尽可能接近理论最小萃取量和最小洗涤量是稀土分离工艺设计的重要内容。早期的串级萃取理论给出了两组份分离所需的理论最小萃取量和最小洗涤量的计算公式，但并不能准确适用于多组分的分离体系。吴声等在此基础上，发展了求解多组分、多出口分馏萃取体系静态设计的精确算法，并设计了动态仿真模拟软件对设计结果进行验证(参见：吴声等，中国稀土学报，22(1):17&22(2):171，2004)。虽然这些方法可以用于稀土联动萃取分离流程的工艺设计，但优化的工艺参数需从大量计算结果中择优确定，因此工作量大，且缺乏判定所选结果是否已是理论最小值的依据。
技术实现思路
本专利技术的首要目的是提供一种多组分联动萃取分离流程设计系统，以能够在用于多组分联动萃取分离流程的工艺设计时，减小确定优化工艺参数的工作量，并有充分依据准确的判定理论最小萃取量和最小洗涤量。为实现此目的，在基础的实施方案中，本专利技术提供一种多组分联动萃取分离流程设计系统，所述的设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块；所述的数据输入模块用于输入待分离组分数t，待分离的组分A1、A2、…、At，待分离组分间的分离系数最终产品中杂质要求以及计算精度要求；其中，t≥3，1≤i≤t-1，待分离组分在所使用的萃取体系中按被萃取难易程度由易到难的顺序为A1、A2、…、At；所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；所述的级数计算模块用于计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；所述的结果输出模块用于根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料在两相中的百分含量变化图。对于本专利技术的多组分联动萃取分离流程的设计系统及设计方法，其中的一些原理和概念解释如下。(1)在特定溶剂萃取体系萃取由易到难顺序为A1、A2、…、At的待分离组分，这些组分之间的萃取反应均符合交换萃取机理，即任意两组分Aj和Ai间的萃取反应均按以下交换反应式进行，具有混合萃取比恒定特征：AjLz+Ai＝AiLz+Aj(1≤i<j≤t)(1)其中，L为萃取剂，z为萃合物中组分结合萃取剂的数目。(2)图2中，料液中含有相同组分数的分离单元排列在同一个分离层级，按它们料液中所含最难萃组分由难萃至易萃的顺序在流程图中由前至后排列，如料液中含有(t-2)个组分的分离单元处在同一个分离层级，它们排列的前后顺序为：(AtAt-1…A4)/(At-1At-2…A3)、(At-1At-2…A3)/(At-2At-3…A2)、(At-2At-3…A2)/(At-3At-4…A1)。图2的全分离流程图共有(t-1)个层级，各层级由上至下包含的分离单元数依次为1、2、…、(t-1)，总分离单元个数为(t-1)！个。其中每个分离单元的功能都是通过逆流萃取的方式对提供给它的料液实现一次分离，分离效果为：在水相出口流出的组分不含给定料液中的一个最易萃组分，有机相出口不含给定料液中的一个最难萃组分。例如，当使用的料液含Ap、Ap+1、…、Aq(1≤p<q≤t)时，分离模式总为：(AqAq-1…Ap+1)/(Aq-1Aq-2…Ap)，其中“/”前面的部分为自水相出口流出的组分，包含Aq、Aq-1、…、Ap+1，仅不含料液中的Ap组分(Ap为最易萃组分)；“/”后面的部分为自有机相出口流出，包含Aq-1、Aq-2、…Ap，仅不含料液中的Aq组分(Aq为最难萃组分)。一个分离单元两端出口减少了一个组分的物料将提供给其它分离单元作为料液继续进行同样效果的萃取分离，直至产生的物料中仅含有一个组分为止。每个分离单元都包括萃取段和洗涤段两部分，两部分所包含的萃取器级数分别为n和m，萃取段萃取器的第1级为水相出口，第n级与洗涤段的第1级相连，因而洗涤段第1级即为分离单元中的总第(n+1)级，洗涤段最后1级，即分离单元的总第(n+m)级为有机相出口。每个分离单元两端出口的物料如含有的组分数超过1时，将作为其它分离单元的料液继续进行分离，直至分离得到单一组分为止。在流程图中，料液组分数相同的分离单元彼此衔接成一个分离层级，其中分离单元衔接排列的前后顺序是按料液中含有的最难萃组分由难萃到易萃的顺序。同一层级任意相邻两分离单元均以出口联动的方式相衔接，即：前一个分离单元的有机相出口与后一个分离单元的水相出口相连，目的是前一个分离单元为后一个分离单元提供萃取有机相，后一个分离单元为前一个分离单元提供洗涤液，以节约各自原本需要的化工试剂消耗。联动衔接后得到的多组分物料提供给下一分离层级，也就是料液中所含组分数减少一个的分离层级作为料液继续进行分离，直至分离所得物料仅含一个组分为止。对于上下相邻的两个分离层级，上一层级中的任一分离单元所需的萃取有机相或洗涤液均由使用这一分离单元提供料液的下一层级分离单元通过进料级联动方式提供。采取进料级联动方式的分离单元是指其在接受水相/有机相料液的同时，自其进料级引出一个有机相/水相返回给上一层级提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多组分联动萃取分离流程设计系统，其特征在于：所述的设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块，所述的数据输入模块用于输入待分离组分数t，待分离的组分A1、A2、…、At，待分离组分间的分离系数

【技术特征摘要】
1.一种多组分联动萃取分离流程设计系统，其特征在于：所述的设计系统包括数据输入模块、流量计算模块、级数计算模块和结果输出模块，所述的数据输入模块用于输入待分离组分数t，待分离的组分A1、A2、…、At，待分离组分间的分离系数最终产品中杂质要求以及计算精度要求；其中，t≥3，1≤i≤t-1，待分离组分在所使用的萃取体系中按被萃取难易程度由易到难的顺序为A1、A2、…、At；所述的流量计算模块用于根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；所述的级数计算模块用于计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；所述的结果输出模块用于根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料中所含组分在两相中的百分含量变化图。2.一种利用权利要求1所述的设计系统进行多组分联动萃取分离流程的设计方法，包括如下步骤：(1)由所述的数据输入模块输入待分离组分数t，待分离的组分A1、A2、…、At，待分离组分间的分离系数最终产品中杂质要求以及计算精度要求；(2)由所述的流量计算模块根据所述的数据输入模块输入的待分离组分及其数目构建全分离流程图，并由上至下逐层级计算所述的全分离流程图中各分离单元所需的最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量，以及同一层级相邻分离单元采取出口联动后衔接级的输入、输出物料总流量和其中的各组分分流量；(3)由所述的级数计算模块计算各分离单元所需的萃取段级数和洗涤段级数；(4)由所述的结果输出模块根据所述的流量计算模块和所述的级数计算模块的计算结果，输出带有流量数据和级数数据的全分离流程图、各层级物料中所含组分在两相中的百分含量变化图；(5)根据最低分离层级，即使用的料液中含2个组分的分离层级的计算结果，汇总确定多组分联动萃取分离流程的最小萃取量和最小洗涤量。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的待分离组分间的分离系数对于任意两组分Ai和Aj(1≤i<j≤t)间的分离系数由下式计算：其中1≤i<j≤t。4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，对于第I类分离单元，当使用的料液为水相时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量的计算公式分别为：其中1≤i≤t且：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；为A1和At两组分间的分离系数；为Ai和At两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量，且有和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第I类分离单元，当使用的料液为有机相时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：其中：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；为A1和At两组分间的分离系数；为A1和Ai两组分间的分离系数；为Ai组分在有机相料液中的流量，且有和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；对于第I类分离单元，当使用的料液为水相和有机相两种料液时，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：其中：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；为A1和At两组分间的分离系数；为A1和Ai两组分间的分离系数；为Ai和At两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量；为Ai组分在有机相料液中的流量；和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和第n+m级的有机相流量；和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量。对于第II类分离单元，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：其中p≤i≤q且：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；Ap和Aq分别为分离单元料液中编号最小和编号最大的组分；为Ap和Aq两组分间的分离系数；为Ap和Ai两组分间的分离系数；为Ai和Aq两组分间的分离系数；为Ai组分在水相料液中的流量；和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；yAi为自进料级引出至高层级提供料液的分离单元有机相中Ai组分的分流量；ysum为自进料级引出至高层级提供料液的分离单元有机相中所有组分流量之和，且有：ysum＝(Smin)H(27)其中(Smin)H为提供料液的高层级分离单元所需的最小萃取量，对于第III类分离单元，最小萃取量、最小洗涤量、两端出口物料总流量及其中的各组分分流量计算公式分别为：其中p≤i≤q且：Smin为最小萃取量；Wmin为最小洗涤量；Ap和Aq分别为分离单元料液中编号最小和最大的组分；为Ap和Aq两组分间的分离系数；为Ap和Ai两组分间的分离系数；为Ai和Aq两组分间的分离系数；为Ai组分在有机相料液中的流量；和分别为联动衔接前Ai组分流出第1级的水相流量和流出第n+m级的有机相流量；和分别为联动衔接前流出第1级的水相中所有组分总流量和流出第n+m级有机相中所有组分总流量；为自进料级...

【专利技术属性】
技术研发人员：程福祥，廖春生，吴声，王嵩龄，刘艳，张玻，
申请(专利权)人：五矿北京稀土研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11